贵州地区板溪群板岩填料路用工程特性及路基结构设计研究

李旗云， 张静波， 张　晶

(1.贵州高速公路集团有限公司， 贵州 贵阳　550004；　2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430056)

参 考 文 献



贵州地区板溪群板岩填料路用工程特性及路基结构设计研究

李旗云1， 张静波2， 张晶2

(1.贵州高速公路集团有限公司， 贵州 贵阳550004；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430056)

针对贵州地区板溪群板岩填料的路用工程特性开展了一系列的室内试验研究，重点研究了干湿循环效应下板岩填料的CBR和回弹模量变化特征。试验表明：板岩填料长期强度受干湿效应与风化作用衰减显著，其CBR和回弹模量随试样浸水时间增加逐渐降低，浸水6～7 d后趋于稳定；CBR与回弹模量随着干湿循环次数增加不断衰减，5次循环后趋于稳定，且干湿循环引起的强度衰减幅度要大于单次浸水。因此，建议采用5次干湿循环后CBR值作为板岩填料的长期强度指标。试验表明该类填料的长期稳定CBR值满足路堤填料强度要求。最后，给出了贵州地区高速公路板岩路堤典型结构，可为类似工程提供参考。

板岩填料； CBR； 回弹模量； 干湿循环； 路基结构

0　引言

板岩是一种变质岩，由粉砂岩、粘土岩等经区域变质作用或高温高压作用形成，因此这种岩体的胶结能力一般较差，极易风化。利用板岩来填筑路堤，若采用的路基结构和防护措施不当，在降雨入渗和车辆动荷载的共同作下容易产生翻浆冒泥、不均匀沉降和路面开裂等病害，因此，如何利用板岩作为路堤填料，以及怎样防治路基病害，这些问题都是工程设计和施工技术人员所面临的客观难题。熊跃华[1]、钟长云[2]、方焘[3][4]、王雪红[5]等人分别对板岩作为铁路路基填料进行了室内研究，安爱军[6]、陈湘亮[7]等对板岩用于铁路路基进行了改性试验，取得了很多有益结论。然而，由于各地区板岩成分和性质存在差异，针对贵州地区广泛分布的板岩作为公路路基填料的适用性及相应的路堤结构仍值得进一步研究。

本文以贵州三穗至黎平高速公路(以下简称三黎高速公路)沿线大量分布的板溪群板岩填料为研究对象，开展风化板岩填料的工程特性试验，特别是干湿循环条件下长期路用性能，并提出相应的路堤结构形式，为类似工程提供参考。

1　板溪群板岩填料路用工程特性

1.1基本性质

在三黎高速公路现场，分别采取具有代表性的全～强风化和强～中风化试样，按照《公路土工试验规程》(JTG E40)和《公路工程岩石试验规程》(JTG E41)规定的方法进行室内试验，测得全～强风化板岩塑限21.9%，液限38.4%，干燥饱和吸水率13.4%，渗透系数为6.5×10-4cm/s，重型击实法测得全～强风化板岩最大干密度1.77 g/cm3，最优含水量为15%；强～中风化板岩天然状态下Is(50)=0.3～2.61 MPa，Is(50)平均=1.73 MPa，饱和状态下Is(50)=0.13～2.24 MPa，Is(50)平均=0.70 MPa，软化系数约为0.5，表面振动压实法测得最大干密度2.1 g/cm3。

1.2崩解特性

为了研究强至中风化板岩崩解特性，采用了以下3种方法进行崩解试验：

a. 室内崩解试验。

板岩的室内浸水崩解试验的具体方法与步骤如下：

① 随机取接近立方体岩块试样若干块，将这些试样置于实验室托盘内，放入烘箱内，在105 ℃恒温下进行烘干不少于12 h。

② 烘干后的试样在干燥器内冷却至室温后，放入容器内，在容器内注入清水淹没试样。

③ 记录试样开始崩解时间，并观察试样在不同浸水时间的崩解碎裂情况。

b. 人工干湿循环崩解试验。

首先将代表性岩块置于托盘内，放入105 ℃烘箱内进行烘干不少于12 h，烘干并冷却至室温后，将其放入容器加水淹没浸泡24 h，至此完成一个干湿循环，重复上述烘干、冷却、浸泡过程，完成多个干湿循环。

c. 自然干湿循环风化崩解。

在现场选取有代表性的岩块，定期观测其在日晒、雨淋等自然条件循环作用下风化崩解情况。

不同方法的崩解试验结果表明，放在室内的板岩岩块，20 d后仅在表层出现少量的微裂纹，整体结构性未破坏，没有发生风化崩解现象，见图1；但经过浸水、烘干、再浸水等多次干湿循环后，表面结构被破坏，随着干湿循环次数的增加，试样整体性最终被破坏，可见板岩崩解可在干湿循环的条件下发生，见图2。在现场弃土场选取有代表性的岩块，观测其在日晒、雨淋等自然条件循环作用下的风化崩解情况，半年时间完整岩样几乎全部风化崩解成碎块状土，强度急速下降，见图3。

图1　室内崩解图(20 d)Figure 1　Indoor disintegration diagram at 20 d

图2　人工干湿循环崩解(干湿循环3次)Figure 2　　　　Disintegration under three times artificial dry-wet circulation

图3　室外风化崩解成碎块状土)Figure 3　Outdoor weathering disintegrated into fragmental soil

由此可见，板岩室内耐崩解性较强，但人工干湿循环试验和自然干湿循环下，其抗风化能力较差。尤其在日晒、雨淋等自然循环作用下，强度急速下降，在路基结构设计不当和施工方法不正确的情况下，采用板岩填筑的路堤容易产生较大的不均匀变形。

1.3CBR值

按《公路土工试验规程》(JTG E40 — 2007)中规定方法进行压实度为93%的板岩填料承载比(CBR)试验。考虑浸水时间对CBR值的影响，分为不浸水(0 d)、浸水48 h(2 d)，浸水96 h(4 d)及浸水144 h(6 d)四种工况，不同浸水时间下的CBR值如图4所示。

图4　不同浸水时间下CBRFigure 4　CBR value under different soaking time

试验结果表明:CBR值受泡水时间的影响较大，未浸水试样CBR值比浸水试样CBR值大很多，试样浸水后CBR会随着泡水时间的增长而近似成线性降低。浸水4 d后全～强风化板岩填料CBR值比未浸水时下降68.5%，强～中风化板岩填料CBR值比未浸水时下降62%，风化板岩浸水4 d后的CBR值满足规范中的相关规定。但随着浸水时间的增加，CBR值还会进一步降低，浸水6 d后全～强风化板岩填料CBR值比未浸水时下降78%，强～中风化板岩填料CBR值比未浸水时下降72% 。说明风化板岩填料虽经压实，但仍具有原岩浸水软化、强度降低的特点，在实际应用中必须加强坡面防护及路基排水措施。

1.4回弹模量

室内回弹模量试验按《公路土工试验规程》的承载板法进行，按击实试验重型II法制备压实度为93%板岩填料试验。试验尺寸均为15.2 cm×12 cm，承载板直径为5 cm。试样采用不浸水及分别浸水2、4、7，15 d多种工况，分析不同浸水时间对回弹模量的影响。

试验结果如图5所示，可见回弹模量受泡水时间的影响同样较大，浸水试样回弹模量显著降低，回弹模量随着泡水时间的增长快速降低。浸水4 d后，强～中风化板岩填料的回弹模量值比未浸水时下降42%，全～强风化板岩填料的回弹模量值比未浸水时下降36%；浸水7 d时，强～中风化板岩填料的回弹模量值比未浸水时下降58%，全～强风化板岩填料的回弹模量值比未浸水时下降45%。当浸水7 d后，回弹模量随浸水时间的增长变化趋于稳定。

图5　不同浸水时间下回弹模量Figure 5　Modulus of resilience under different soaking time

2　板溪群板岩填料干湿循环效应

2.1干湿循环条件下颗粒级配变化特征

为了研究干湿循环对强～中风化板岩填料的颗粒级配的影响，开展了不同干湿循环次数下的筛分试验。试验方法和步骤如下：

① 称取80 kg试样，在50 ℃烘箱中充分脱水，分成两等分，开展平行试验；

② 将两份试样分别至于模型箱中泡水12 h；

③ 打开模型箱排水孔，自然排水；

④将试样摊铺开，在晒土场晾晒24 h；

⑤ 重复2～4步，直至达到干湿循环次数；

⑥ 烘箱中50 ℃充分脱水；

⑦ 采用土工筛测试最终级配曲线。

测试试样在经过1次、3次、5次和7次干湿循环后的颗粒级配变化如图6所示。试验结果表明：

① 相比于初始级配曲线，经过1次干湿循环过后，颗粒级配相对于原始级配的变化最大，后续3次、5次和7次干湿循环后，颗粒虽仍然呈破碎化趋势，但变化趋势较缓，衰减收敛显著；

② 从各粒径区间的颗粒百分比动态变化来看，主要呈现为20～40 mm区间颗粒破碎为10～20 mm区间颗粒，粒径小于5 mm的颗粒百分比变化很小；据此可以大致定性判断，大粒径板岩料中存在微结构面且其水敏感性较强，经过若干次干湿循环会产生破碎，这是级配变化的重要原因；对于粒径小于5 mm的“岩块”来说，微结构效应弱化，干湿循环并不会对其相对完整的结构产生破坏，不会出现类似红层或含泥量较高的岩体崩解现象。

图6　不同干湿循环次数颗粒级配曲线Figure 6　Grading curve under different dry-wet circulation times

2.2干湿循环条件下CBR变化特征

为研究不同循环次数下风化板岩试样的强度指标，以此来反映干湿循环条件下风化板岩的强度变化规律。进行了风化板岩0次、1次、3次、5次、7次干湿循环。

干湿循环过程： 一次干湿循环试验包括浸水饱和及风干失水2个过程。试样制备完成后让试样底部浸水，让试样在毛细作用下饱和，然后逐步升高水位直至试样全部浸入水面以下为止，让试样在水下浸泡4 d(或7 d)后，完成浸水饱和过程(0次干湿循环)；浸水饱和后将试样从水中取出，放于阴凉处，通过控制质量的方法使试样风干至其含水率为制样含水率，完成风干失水过程，继续泡水饱和处理(此为干湿循环1次)。重复上述过程，依次完成不同干湿循环次数下93%压实度板岩填料的的CBR试验。不同干湿循环次数下的CBR值如图7所示。

图7　不同干湿循环次数下CBR值Figure 7　CBR value under different dry-wet circulation times

通过各次循环后的CBR结果可以看出，随着干湿循环次数的增加，试样的CBR值逐渐降低，单次泡水4 d时，在干湿循环5次之前，降低幅度较大，干湿循环5次之后，降低幅度较小并趋于稳定；单次泡水7 d时，在干湿循环3次之前，降低幅度较大，干湿循环3次之后，降低幅度较小并趋于稳定；在经历干湿循环后，试样的CBR值能满足路基填料的最小强度要求，路基设计时宜采用稳定值，保证路基的长期性能。

2.3干湿循环条件下回弹模量变化特征

采用与干湿循环下CBR试验类似的过程，测试试样在干湿循环0次、1次、3次、5次的回弹模量，试验结果如图8所示。可以看出随着干湿循环次数的增加，试样的回弹模量逐渐降低，干湿循环5次之后，回弹模量趋于稳定。不同干湿循环方式下最终回弹模量稳定值相差不大。

图8　不同干湿循环次数下回弹模量Figure 8　　　　Modulus of resilience under different dry-wet circulation times

3　板溪群板岩路基典型结构设计

室内试验结果表明板溪群板岩具有易风化崩解、吸水软化的不良工程特性，对环境干湿效应及风化作用的影响十分敏感。并且，由于风化过程中矿物成分发生了改变，全至强风化板岩填料的路用性能比强至中风化板岩差，设计和填筑时应区别对待。本文综合考虑填料长期强度、不同路基结构层位对填料的要求，以及贵州地区湿热多雨的气候特征，提出以下适用于高速公路的板岩路堤典型结构，供相似工程参考。

① 填方路段。

全至强风化板岩填料可以用于上、下路堤填筑，路堤中心填高不宜超高15 m，路堤底部应填筑厚度不小于50 cm的砂砾或硬质岩石渣等透水性材料。路堤采用“7+1”方式进行填筑，即7层全 — 强风化板岩填料(松铺厚度40～50 cm)+1层砂砾石或硬质岩石渣(厚度≥30 cm)；并在软岩填料顶面铺设一层复合防渗土工膜，阻隔路面水对软岩路堤的软化影响；边坡采用植生袋或骨架植草防护。具体方案详见图9、图10，图中尺寸单位为cm。

图9　全至强风化板岩路堤结构断面图 —ⅠFigure 9　　　　Section of subgrade structure for fully-heavily weathered slate —Ⅰ

图10　全至强风化板岩路堤结构断面图 —ⅡFigure 10　　　　Section of subgrade structure for fully-heavily weathered slate —Ⅱ

强至中风化板岩填料宜用于上、下路堤和下路床的填筑，路堤中心填高不宜超过20 m，路堤底部应填筑厚度不小于50 cm的砂砾或硬质岩石渣等透水性材料，并在软岩填料顶面铺设一层复合防渗土工膜。边坡宜采用骨架植草防护。

② 零填及挖方段。

零填及挖方路段，应超挖换填砂砾或硬质岩石渣，对于全至强风化板岩地基换填0.8 m，强至中风化板岩换填0.3 m，并在超挖层底面铺设一层复合防渗土工膜，路侧边沟下设置渗沟。具体方案如图11、图12所示。

图11　全～强风化板岩零填及挖方路段处治横断面Figure 11　Section of subgrade structure for zero filling and excavating of fully-heavily weathered slate

图12　强～中风化板岩零填及挖方路段处治横断面Figure 12　Section of subgrade structure for zero filling and excavating of heavily-moderately weathered slate

4　板岩路堤修筑要点及典型结构应用

板岩路堤修筑的关键技术要点如下：

① 路基的长期强度应与路面结构、车辆荷载相匹配，因此，应对板岩填料进行分级利用，不同路基结构层位应填筑不同等级的板岩填料。

② 板岩填料的强度试验具有时效性，应于开挖前提前进行取样、试验，判定板岩等级，确定适用路堤结构层位，随挖随填，不得暴露过长时间；如采用先开挖、临时堆放再二次倒运填筑，则应于填筑施工前不超过一个月时间内进行相关试验。

③ 板岩路堤修筑的核心思想是减少填料的干湿循环次数和降低填料的干湿循环幅度，继而减小路堤强度衰减的速度和幅度，因此，路堤的防排水工程至关重要。

④ 全～强风化板岩路堤中的砂砾或硬质岩石渣夹层主要作用是雨前覆盖和强度补偿，因此层间距可视天气情况灵活调整。

作为科研项目依托工程的三黎高速公路，路基中间带是宽度只有50 cm的绿化带，汇水面积很小，因此实际施工时，取消了板岩层顶的复合防渗土工；对于高度大于15 m的全～强风化板岩路堤，采用了分层强夯补强，用于减少路堤沉降；所有路基边坡都采用了骨架植草防护。2015年1月23日三黎高速公路全线通车，2016年3月课题组对三黎高速进行了回访，运营一年多来，除局部路堤边坡有轻微冲刷外，未见明显路基不均匀沉降和路面开裂现象，整体效果良好。

5　结论

本文以贵州地区板溪群风化板岩填料为对象，进行了不同风化程度板岩填料的室内工程性质试验和干湿循环试验，分析了其路用特性和干湿循环环境下的长期稳定性，并提出了板溪群板岩的路基结构，得出以下主要结论：

① 板溪群风化板岩填料天然级配良好，塑限

21.9%，液限38.4%，干燥饱和吸水率13.4%，渗透系数为6.5×10-4cm/s。全至强风化板岩填料最大干密度1.77 g/cm3，相应的最优含水量为15%；强至中风化板岩最大干密度平均值为2.1 g/cm3。

② 板岩填料的CBR和回弹模量随浸水时间的增加都逐渐衰减，浸水4 d后全～强风化板岩填料CBR值比未浸水时下降68.5%，回弹模量值下降36%；强～中风化板岩填料CBR值比未浸水时下降62%，回弹模量值下降42%。当浸水7 d后，填料的CBR值和回弹模量随浸水时间的增长变化趋于稳定。板岩填料浸水4 d后的CBR值满足规范中的相关规定，可以用于路堤填筑，但应注意防排水措施。

③ 干湿循环条件下，板岩填料易崩解和软化，其CBR和回弹模量值随干湿循环次数的增加而降低。干湿循环5次后，全～中风化板岩填料的CBR值和回弹模量分别下降83%和60%；强～中风化板岩填料的CBR值和回弹模量分别下降84%和62%。说明干湿循环对板岩填料的长期性能影响要远大于单次浸水。另外，干湿循环5次后CBR和回弹模量值变化趋于稳定，因此干湿循环5次后的CBR和回弹模量值作为板岩填料的长期强度指标。

④ 针对风化板岩的路用工程特性和干湿循环特性，并考虑不同路基结构层位对于填料的要求，以及施工条件等因素，提出了适用于高速公路的板岩路堤典型结构，供类似工程参考。

参 考 文 献

[1]吴平，傅鹤林，鄢定媛.风化砂质板岩水理特性研究[J].公路工程，2013，38(6)：10-12.

[2]熊跃华，刁心宏，郑明新.软岩填筑路基模型试验研究[J].华东交通大学学报，2004，21 (4)：15-18.

[3]方焘，郑明新，寇东华.风化千枚状板岩填料力学特性试验研究[J].铁道建筑，2007(3)：67-69.

[4]王雪红，王永和，卿启湘.板岩路基填料CBR特征及影响因素分析[J].湖南工业大学学报,2007,21(2):100-103.

[5]安爱军.全-强风化泥质板岩作为铁路客运专线路基填料化学改良方法试验研究[J].公路，2008(6)：116-118.

[6]陈湘亮，王永和，王灿辉.泥质板岩改良土击实试验影响因素分析[J].湖南城市学院学报:自然科学版，2010，19(3)：8-11.

Study on Road Engineering Properties and the Design of Subgrade Structure of Banxi Group Slates Filling in Guizhou

LI Qiyun1， ZHANG Jingbo2， ZHANG Jing2

(1.Guizhou Expressway Group Co.,Ltd., Guiyang, Guizhou 550004, China；2.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd.,Wuhan, Hubei 430056,China)

A series of laboratory experiments about the Banxi group slate filling road engineering properties was carried out，which focuses on the change of CBR and resilient modulus characteristics under the dry-wet cyclic. The tests show that the slate filling long-term strength was effected significantly by dry-wet cyclic or weathering effect, the CBR and resilient modulus was gradually reduced as the immersion time increased，and after 6 to 7 days，it tends to be stable . CBR and resilient modulus was constantly reduced as the number of dry-wet cycles, after 5 cycles, it tend to be stable. Therefore, it is suggested that the value of CBR and resilient modulus after 5 dry-wet cycles is used as the long-term strength index. The test shows that the long-term stability of Banxi group slates filling meets the strength requirements of embankment. At last, this paper gives the typical structures of slate embankment of Expressway in Guizhou area, it can be provided a reference for the similar engineering.

slate filling; CBR; modulus of resilience; dry-wet circulation; subgrade structure

2016 — 03 — 21

贵州省交通运输厅科技项目(2014-122-007)

李旗云(1963 — )，男，云南昆明人，高级工程师，主要从事高速公路施工现场技术管理工作。

U 416.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0135 — 05